一種多路徑電動(dòng)單軌小車(chē)懸掛輸送系統(tǒng)（EMS）設(shè)計(jì)

劉曉楠，匡永江，吳 雙，李 斌，吳 振

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

使用電動(dòng)單軌小車(chē)懸掛輸送進(jìn)行作業(yè)代表了當(dāng)今世界現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)流程中輸送裝備與技術(shù)的主要發(fā)展方向[1]。EMS系統(tǒng)能夠滿足各種不同廠房、不同生產(chǎn)工藝、不同生產(chǎn)形態(tài)下的生產(chǎn)需要，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、工程機(jī)械、家電等諸多行業(yè)[1]。隨著EMS系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)形態(tài)呈現(xiàn)多樣化。一般形態(tài)的單點(diǎn)上、單點(diǎn)下的單路徑EMS系統(tǒng)，按生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的輸送，對(duì)于多點(diǎn)上、多點(diǎn)下、多道岔的多路徑EMS系統(tǒng)，通常需要配送多品種物件。為了滿足企業(yè)對(duì)生產(chǎn)物件配送的合理性、準(zhǔn)確性、高效性和實(shí)時(shí)性的要求，本文采用RFID技術(shù)對(duì)物件品種信息進(jìn)行識(shí)別、跟蹤，基于物件品種信息和裝配工位對(duì)物件的需求，選取合理的調(diào)度策略對(duì)電動(dòng)小車(chē)進(jìn)行調(diào)度控制。

圖1 EMS系統(tǒng)布局示意圖

1 系統(tǒng)組成及流程

EMS系統(tǒng)的功能是按照企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃從上件工位掛裝物件，通過(guò)長(zhǎng)距離的空中軌道運(yùn)送到指定的裝配車(chē)間下件工位。系統(tǒng)包括環(huán)形軌道，道岔平移機(jī)構(gòu)，電動(dòng)單軌小車(chē)，物件上件工位，裝配車(chē)間的下件工位，積放存儲(chǔ)區(qū)和雙通道維修工位。在信息識(shí)別系統(tǒng)上，每臺(tái)電動(dòng)單軌小車(chē)安裝一個(gè)電子標(biāo)簽，每個(gè)上件工位、道岔和下件工位處均安裝RFID讀寫(xiě)設(shè)備，用于信息識(shí)別與跟蹤。

裝配線EMS系統(tǒng)按功能分為兩個(gè)區(qū)：積放存儲(chǔ)區(qū)和配送區(qū)。電動(dòng)小車(chē)在上件工位掛裝物件，送至積放存儲(chǔ)區(qū)存儲(chǔ)，等待系統(tǒng)調(diào)度。配送區(qū)是根據(jù)裝配線下件工位對(duì)物件的請(qǐng)求，調(diào)度積放存儲(chǔ)區(qū)的電動(dòng)小車(chē)配送物件。EMS系統(tǒng)的布局示意圖如圖1所示，其基本流程為：根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃從上件工位掛裝物件，上件工位A1、A2掛裝裝配線X所需物件，上件工位B1、B2掛裝裝配線Y所需物件，上位機(jī)下發(fā)物件信息通過(guò)RFID讀寫(xiě)設(shè)備寫(xiě)入電子標(biāo)簽并和電動(dòng)小車(chē)號(hào)信息綁定，物件信息寫(xiě)入成功后電動(dòng)小車(chē)沿空中軌道運(yùn)行，在道岔P1,P2, …, Pn-1處RFID讀寫(xiě)設(shè)備讀取電動(dòng)小車(chē)的電子標(biāo)簽，上傳給PLC和上位計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，PLC依據(jù)積放存儲(chǔ)區(qū)的存儲(chǔ)原則下發(fā)指令控制道岔移動(dòng)，電動(dòng)小車(chē)存儲(chǔ)于積放存儲(chǔ)區(qū)C1, C2, …, Cn等待系統(tǒng)調(diào)度；裝配線X、Y下件工位請(qǐng)求配送物件，依據(jù)配送策略，積放存儲(chǔ)區(qū)送出下件工位請(qǐng)求物件，在道岔Q1處RFID讀寫(xiě)設(shè)備讀取物件信息，電動(dòng)小車(chē)將物件運(yùn)送到指定的下件工位后返回上件工位。

2 調(diào)度策略

本文描述的EMS系統(tǒng)，積放存儲(chǔ)區(qū)的分配原則和配送區(qū)的配送策略直接影響到裝配生產(chǎn)線的工作效率，因此，選取合理的分配原則和配送策略是十分必要的。

2.1 積放存儲(chǔ)區(qū)分配原則

積放存儲(chǔ)區(qū)的存儲(chǔ)功能是EMS系統(tǒng)的一個(gè)重要功能，對(duì)積放存儲(chǔ)區(qū)的物件品種進(jìn)行優(yōu)化分配，以減少系統(tǒng)配送等待時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。常用的分配原則有三種：

1）分類(lèi)分配

這種分配方法是規(guī)定各積放存儲(chǔ)區(qū)存儲(chǔ)品種的類(lèi)型，把同一品種的物件存儲(chǔ)于同一段積放存儲(chǔ)區(qū)。

2）隨機(jī)分配

隨機(jī)分配是指不區(qū)分物件品種隨機(jī)存儲(chǔ)在某一段積放存儲(chǔ)區(qū)。一般情況下。隨機(jī)分配存儲(chǔ)優(yōu)先存儲(chǔ)于靠近入口的積放存儲(chǔ)區(qū)，待此區(qū)域存滿后分配存儲(chǔ)到下一積放存儲(chǔ)區(qū)。

3）平均分配

平均分配是指把不同品種的物件依次存儲(chǔ)于每一段積放存儲(chǔ)區(qū)，保障每段存儲(chǔ)區(qū)都有裝配工位所需品種的物件。

考慮到流水作業(yè)裝配線的快節(jié)拍，隨機(jī)分配和平均分配的方法可能造成裝配工位所需物件不能及時(shí)送達(dá)，裝配工位長(zhǎng)時(shí)間閑置的情況，因此采用分類(lèi)分配的方法進(jìn)行存儲(chǔ)，即規(guī)定積放存儲(chǔ)區(qū)C1, C2, …, Cn分別存放品種Za1, Za2, …, Zan，Z，在道岔P2, P3, …, Pn處，RFID讀寫(xiě)設(shè)備讀取物件信息上傳PLC控制電動(dòng)小車(chē)的輸送路徑。

2.2 配送區(qū)配送策略

配送區(qū)物件配送運(yùn)輸調(diào)度是依據(jù)工位需求，以工位所需物件準(zhǔn)時(shí)送達(dá)為目標(biāo)，為配送小車(chē)指派運(yùn)輸時(shí)間。在實(shí)際的物料配送中，工位的物件配送需求往往有時(shí)間的要求，此EMS 系統(tǒng)使用基于時(shí)間窗約束的方法，選取合理的時(shí)間窗，即最早配送時(shí)間和最晚配送時(shí)間，對(duì)配送物件的電動(dòng)小車(chē)進(jìn)行調(diào)度，減少某些工位因缺少裝配物件而引起的等待時(shí)間。具體實(shí)現(xiàn)方法過(guò)程如下：

假設(shè)一組裝配物件W={W1，W2，W3，…，Wn}，T(Wi)表示裝配物件Wi所需時(shí)間，物件Wi所需裝配時(shí)間T(Wi)是固定的，根據(jù)各下件工位到裝配存儲(chǔ)區(qū)的距離、電動(dòng)小車(chē)的行駛速度和裝配生產(chǎn)線的節(jié)拍，計(jì)算出配送物件Wi的最早配送時(shí)間 T(Wi)min，最晚配送時(shí)間T(Wi)max。例如，生產(chǎn)計(jì)劃的裝配順序?yàn)閃1，W3，W3，W2，W2，W4，EMS系統(tǒng)調(diào)度電動(dòng)小車(chē)從積放存儲(chǔ)區(qū)送出物件W1后，依據(jù)物件W3的時(shí)間窗調(diào)度小車(chē)進(jìn)行配送，依次循環(huán)執(zhí)行配送所有物件。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。系統(tǒng)硬件分為三部分組成：上位機(jī)模塊，PLC控制模塊，RFID模塊。其中，上位機(jī)模塊包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控機(jī)、管理機(jī)，PLC控制模塊包括西門(mén)子S7-300系列CPU和遠(yuǎn)程I/O模塊，RFID模塊包括識(shí)別控制器、讀寫(xiě)設(shè)備和電子標(biāo)簽。上位機(jī)模塊和PLC控制模塊通過(guò)交換機(jī)互聯(lián)交互，采用Ethernet通訊。PLC控制模塊與RFID模塊采用Profinet現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

上位機(jī)模塊的主要功能是與PLC進(jìn)行通訊，顯示EMS運(yùn)行的狀態(tài)、各種故障，完成系統(tǒng)運(yùn)行控制、調(diào)度、管理、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、打印等功能。

PLC控制模塊采用集中控制與分散控制相結(jié)合的方式，所有設(shè)備統(tǒng)一由CPU控制。每個(gè)電動(dòng)小車(chē)有一個(gè)獨(dú)立的電氣控制箱，分布式I/O模塊分散布置于現(xiàn)場(chǎng)，采集現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)并輸出動(dòng)作控制信號(hào)。

RFID模塊由控制器、讀寫(xiě)設(shè)備和載碼體（即電子標(biāo)簽）三部分組成。載碼體有一個(gè)固定碼存儲(chǔ)空間和一個(gè)可重寫(xiě)的存儲(chǔ)空間。固定碼存儲(chǔ)空間寫(xiě)入唯一的電動(dòng)小車(chē)號(hào)，可重寫(xiě)存儲(chǔ)空間寫(xiě)入需運(yùn)送物件的信息。固定碼中的數(shù)據(jù)只能通過(guò)讀寫(xiě)設(shè)備讀出，可重寫(xiě)存儲(chǔ)空間中所存儲(chǔ)的信息可通過(guò)讀寫(xiě)設(shè)備讀出或重新寫(xiě)入。讀或?qū)懚际峭ㄟ^(guò)控制系統(tǒng)發(fā)送指令給讀寫(xiě)設(shè)備完成的。多個(gè)讀寫(xiě)設(shè)備可同時(shí)連接到一個(gè)控制器，控制器受控于上一級(jí)的PLC。

4 結(jié)論

物流系統(tǒng)的自動(dòng)化、信息化和智能化已成為物流業(yè)的一個(gè)主要趨勢(shì)。EMS系統(tǒng)采用RFID技術(shù)進(jìn)行信息識(shí)別、跟蹤，積放存儲(chǔ)區(qū)利用分類(lèi)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)的方法存儲(chǔ)，配送區(qū)利用時(shí)間窗約束的方法對(duì)電動(dòng)小車(chē)進(jìn)行調(diào)度，提高了信息數(shù)據(jù)的采集準(zhǔn)確率，物件配送更合理，減少了裝配工位的閑置時(shí)間，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了企業(yè)的生產(chǎn)成本。通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，證實(shí)了此EMS系統(tǒng)的優(yōu)越性。

[1]余汪洋.自行小車(chē)懸掛輸送系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2011(9).

[2]任星球.制造企業(yè)裝配線物料準(zhǔn)時(shí)配送優(yōu)化研究[D].浙江：浙江工業(yè)大學(xué),2012.

[3]岳濤.RFID關(guān)鍵技術(shù)及其在現(xiàn)代物流中的應(yīng)用研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2010.